改性脲醛樹(shù)脂漿液在復(fù)雜含水層治理中的應(yīng)用研究

朱興明 戈 革 韓天恩

（銅陵有色金屬集團(tuán)銅冠礦山建設(shè)股份有限公司）

近些年來(lái)，礦井建設(shè)過(guò)程出現(xiàn)的諸如高壓大流量強(qiáng)徑流含水層、基巖微細(xì)裂隙含水層、陡傾角發(fā)育密集緊閉裂隙含水層、含斷層泥的富水破碎帶、含凝灰質(zhì)的火山巖裂隙含水層、蜂窩狀溶蝕孔隙含水層、針孔狀溶蝕裂隙含水層、流砂含水層等復(fù)雜含水層嚴(yán)重困擾礦山建設(shè)，地下水治理工作對(duì)施工進(jìn)度和投入成本影響較大。目前，含水層的治理往往表現(xiàn)為可注性及堵水效果差、成孔困難、鉆孔量大、一次注漿段長(zhǎng)小、掃孔復(fù)鉆工程量大、工期長(zhǎng)、投入大的特點(diǎn)。針對(duì)復(fù)雜含水層的注漿堵水與加固，應(yīng)著重尋找經(jīng)濟(jì)與技術(shù)可行的灌漿材料，進(jìn)而探究合理的漿液性能及鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)［1-7］。

1 化學(xué)漿液性能

目前所用的注漿材料主要有水泥類(lèi)和化學(xué)類(lèi)漿液，從工程實(shí)際應(yīng)用效果來(lái)看，水泥類(lèi)漿液具有價(jià)格低且結(jié)石體強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，但其初凝和終凝時(shí)間長(zhǎng)且不易準(zhǔn)確控制，以及易沉降析水，在微細(xì)裂隙等復(fù)雜含水層具有“不吃漿、難注入”的特點(diǎn)。目前廣泛認(rèn)為改性脲醛樹(shù)脂漿液能夠滿足復(fù)雜含水層注漿堵水的技術(shù)要求，為更好地應(yīng)用于工程實(shí)踐，需通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)一步掌握該漿液的物理力學(xué)性能。

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

注漿用原材料主要是改性脲醛樹(shù)脂，弱酸性的草酸作為固化劑。漿液主要性能指標(biāo)：黏度為50～70 MPa·s，pH 為7.5～9.0，密度為1.15～1.17 g/cm3，靜切力為5.11 Pa。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

為研究不同草酸濃度、不同樹(shù)脂漿液與草酸溶液配合比以及不同溫度下漿液的物理化學(xué)性能，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及測(cè)試方案如下。

（1）草酸溶液濃度（質(zhì)量比）有1%，1.5%，2%，2.5%和3.0%。

（2）改性脲醛樹(shù)脂與草酸溶液的配比（體積比）有2∶1，2.5∶1，3∶1，4∶1。

（3）實(shí)驗(yàn)溫度取20，25，30和35 ℃4種。

（4）測(cè)試指標(biāo)為pH、黏度和凝膠時(shí)間。

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.3.1 漿液的pH

漿液pH 為3～5，均呈弱酸性，主要受草酸濃度的影響，隨著草酸濃度的增大，pH值相應(yīng)降低。

1.3.2 漿液的黏度

黏度的大小直接影響漿液的擴(kuò)散半徑，同時(shí)為確定注漿壓力、流量等參數(shù)提供依據(jù)。黏度越小，越有利于流動(dòng)，擴(kuò)散半徑越大。本次黏度的測(cè)試采用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出：①漿液配合比對(duì)黏度的影響比較大，隨著配合比的增大，漿液的黏度呈直線增大；②草酸濃度對(duì)黏度影響不顯著，隨著草酸溶液濃度的增大，黏度略呈線性增長(zhǎng)，但增幅較??；③溫度對(duì)黏度的影響十分顯著，其隨著溫度的增大而降低，在20～30 ℃時(shí)，漿液的黏度變化敏感，超過(guò)30 ℃變化甚微，或基本無(wú)變化。

1.3.3 漿液的凝膠時(shí)間

注漿工程中漿液的凝膠時(shí)間應(yīng)根據(jù)巖石裂隙孔隙發(fā)育情況、涌水量大小和注漿目的等因素來(lái)確定，凝膠時(shí)間過(guò)短不利于漿液的有效擴(kuò)散，從而無(wú)法形成有效的堵水帷幕；凝膠時(shí)間太長(zhǎng)不利于提高工程效率。本次采用倒杯法測(cè)試，結(jié)果如圖2所示。

從圖2 可以看出：①漿液的凝膠時(shí)間隨配合比的增大呈指數(shù)形式遞增，草酸濃度為1%、配合比超過(guò)3∶1時(shí)，凝膠時(shí)間明顯延長(zhǎng)，故一般不宜采用；②凝膠時(shí)間隨著草酸濃度的增加而呈乘冪形式降低，配比4∶1、草酸濃度低于1.5%時(shí)，凝膠時(shí)間太長(zhǎng)，一般不宜采用，合理的草酸濃度范圍為1.5%～2.5%；③凝膠時(shí)間與溫度的關(guān)系密切，20 ℃時(shí)的凝膠時(shí)間明顯長(zhǎng)于25 ℃及以上。

1.3.4 漿液的流變性

漿液的流變性是指漿液在外力作用下的流動(dòng)性，漿液在凝膠之前，其黏度隨外力和時(shí)間而變化。本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為草酸濃度2%、室溫24 ℃的測(cè)試結(jié)果（圖3）?？梢钥闯觯瑵{液呈現(xiàn)出屬于非牛頓流體中的膨脹流體性。剪切速率越大，剪切應(yīng)力增長(zhǎng)的梯度越大。同樣速率下，剪切應(yīng)力隨著草酸溶液比例的減小而降低。

1.3.5 固結(jié)體抗壓強(qiáng)度

將拌好的漿液倒入試模中，凝固后的結(jié)石體在常溫條件下自然養(yǎng)護(hù)一定時(shí)間后測(cè)試其抗壓強(qiáng)度。本次試驗(yàn)采用的試件為直徑45 mm、高90 mm 的圓柱體（圖4），養(yǎng)護(hù)時(shí)間為3 d，材料混合拌制在20 和25 ℃的2種環(huán)境下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

從圖5可以看出：①單軸抗壓強(qiáng)度與漿液的配合比基本上呈線性關(guān)系，隨著配合比的增大而增大，強(qiáng)度為1.7～5.1 MPa；②單軸抗壓強(qiáng)度與草酸濃度也基本呈線性關(guān)系，隨著草酸濃度的增大而降低；③從試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析來(lái)看，25 ℃下試塊單軸抗壓強(qiáng)度略高于20 ℃。

1.3.6 漿液的結(jié)石率

結(jié)石率是衡量漿液的主要工程指標(biāo)，結(jié)石率越小，注漿后漿體的收縮性越大，堵水效果越差。改性脲醛樹(shù)脂漿液在澆筑試件養(yǎng)護(hù)3 d 后觀察，軸向和徑向上都沒(méi)有收縮現(xiàn)象，相反有一定的膨脹性，試塊脫模較困難。

2 工程應(yīng)用效果

通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，已掌握了漿液的有關(guān)性能，但由于實(shí)際工程的水質(zhì)條件、環(huán)境溫度等差異性，還需結(jié)合工程實(shí)際對(duì)漿液的適用性進(jìn)行探究。基于馬鋼羅河鐵礦主井次生石英巖含水層治理工程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐。

2.1 工程地質(zhì)特征

馬鋼羅河鐵礦主井井口設(shè)計(jì)標(biāo)高為＋45 m，井底標(biāo)高為-786 m，全深831 m，井筒凈直徑為5.5 m，井壁厚400 mm。根據(jù)工程勘察孔揭露，孔深346～420 m段為次生石英巖強(qiáng)含水層，該含水層上段巖性致密堅(jiān)硬、裂隙發(fā)育，沿裂隙見(jiàn)較多溶蝕孔洞，多數(shù)呈針孔狀及蜂窩狀；下部巖芯破碎，呈碎粒狀，鉆孔巖芯極不完整。巖體裂隙較發(fā)育，主要見(jiàn)一組與水平線夾角為45°的裂隙，沿裂隙見(jiàn)較多溶蝕孔洞，多數(shù)呈針孔狀及蜂窩狀，溶蝕孔洞發(fā)育但相互的直接連通性差。該含水層的直接頂板為角礫凝灰?guī)r，底板為蝕變粗安巖，塊狀、層狀構(gòu)造，巖芯完整，裂隙不發(fā)育。預(yù)測(cè)含水層涌水量為130 m3/h。

2.2 施工工藝設(shè)計(jì)

井筒掘進(jìn)進(jìn)入次生石英巖含水層之前，初期確定的注漿方案為采用工作面分段預(yù)注漿，漿液以水泥漿為主，必要時(shí)考慮水泥—水玻璃雙液漿。鉆孔采用沿井筒周邊單圈布孔方式，施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)同一鉆孔在不同孔段的涌水量存在較大差異。單孔段最大涌水為135 m3/h，最小為20 m3/h，鉆孔多次揭露風(fēng)化的巖石碎塊，涌水伴隨著泥化物質(zhì)噴出。漿液有效擴(kuò)散半徑不足0.35 m，后調(diào)整為雙液漿灌注，但漿液有效擴(kuò)散半徑也只能達(dá)到0.6～0.7 m，仍然達(dá)不到有效堵水效果。第一注漿段檢查孔殘余涌水量為0.2 m3/h，但井筒開(kāi)挖實(shí)際涌水量仍達(dá)到28 m3/h。究其原因?yàn)楹畬臃浅?fù)雜，泥質(zhì)及裂隙開(kāi)度太小，水泥基漿液的可注性差。為滿足注漿效果，調(diào)整為改性脲醛樹(shù)脂漿液灌注，并對(duì)鉆孔間距、鉆孔分段高度、注漿壓力、養(yǎng)護(hù)時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

（1）鉆孔間距。根據(jù)目前注漿基本理論與經(jīng)驗(yàn)公式，注漿孔間距一般為1.3～1.5 倍的漿液有效擴(kuò)散半徑。考慮第一注漿段水泥基漿液的有效擴(kuò)散半徑不足0.5～0.6 m，而改性脲醛樹(shù)脂化學(xué)漿的流變性明顯高于水泥基漿液，其有效擴(kuò)散半徑比水泥基漿材要大一些，預(yù)計(jì)改性脲醛樹(shù)脂化學(xué)漿漿液的有效擴(kuò)散半徑可達(dá)到1.2～1.5 m，則確定孔底間距為1.7～2.0 m。

（2）孔內(nèi)分段高度。前期水泥基漿液灌注時(shí)，孔內(nèi)分段長(zhǎng)度小于2 m 仍不能滿足要求，反而增加了大量的鉆孔復(fù)鉆量和工期。基于改性脲醛樹(shù)脂化學(xué)漿的可注性大幅度提高，設(shè)計(jì)第一序鉆孔注漿分段高度為10～15 m，特殊情況下縮短到2～3 m；第二序鉆孔注漿分段高度為15～20 m，孔內(nèi)實(shí)際揭露地質(zhì)條件簡(jiǎn)單時(shí)可增加到20～30 m。

（3）注漿終壓。考慮到改性脲醛樹(shù)脂化學(xué)漿的擴(kuò)散能力比水泥漿液強(qiáng)，流動(dòng)阻力明顯比水泥基漿液小，因此所需的注漿壓力要比水泥漿液小。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析對(duì)比，確定采用1.8～2倍靜水壓力灌注。

（4）養(yǎng)護(hù)時(shí)間。根據(jù)改性脲醛樹(shù)脂化學(xué)漿凝膠時(shí)間短、結(jié)石率為100%且結(jié)石后具有一定的膨脹性的良好性能，確定每次注漿結(jié)束后隨即轉(zhuǎn)入掃孔鉆進(jìn)，有效節(jié)約作業(yè)時(shí)間，提高作業(yè)效率。

2.3 工程施工情況

羅河鐵礦主井次生石英巖含水層共開(kāi)展3 段工作面預(yù)注漿，統(tǒng)計(jì)工程量見(jiàn)表1，其中第一段采用傳統(tǒng)水泥漿灌注為主，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際揭露情況及時(shí)調(diào)整施工方案，改用改性脲醛樹(shù)脂漿液灌注，并對(duì)鉆孔間距、孔內(nèi)分段高度、注漿終壓和養(yǎng)護(hù)時(shí)間等工藝進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。從表1對(duì)比分析來(lái)看，采用水泥漿灌注時(shí)，鉆孔、掃孔工程量巨大，占用工期長(zhǎng)且治理效果差；采用改性脲醛樹(shù)脂漿液灌注時(shí)，雖然鉆孔數(shù)量較大，但掃孔量大幅度降低，表明注漿堵水效果較好，避免了注漿的反復(fù)性。

2.4 注漿效果評(píng)價(jià)

采用施工檢查孔來(lái)預(yù)評(píng)價(jià)注漿效果，檢查孔布置在井筒中心或注漿效果最不利部位，檢查孔數(shù)量不小于1 個(gè)，但最終以井筒開(kāi)挖驗(yàn)證注漿結(jié)果為準(zhǔn)。本次注漿的具體結(jié)果為第一注漿段檢查孔殘余涌水量為0.2 m3/h，井筒開(kāi)挖實(shí)際涌水量達(dá)到28 m3/h，高于設(shè)計(jì)指標(biāo)；第二注漿段檢查孔殘余涌水量為1 m3/h，井筒開(kāi)挖實(shí)際涌水量為3.5 m3/h；第三注漿段檢查孔殘余涌水量為0.5 m3/h，井筒開(kāi)挖實(shí)際涌水量為3 m3/h。由此可見(jiàn)，改性脲醛樹(shù)脂化學(xué)注漿達(dá)到了預(yù)計(jì)的應(yīng)用效果，能有效縮短施工工期和前期的工程投入成本。

3 結(jié)論

改性脲醛樹(shù)脂化學(xué)漿液能夠很好地解決復(fù)雜含水層的注漿堵水難題，注漿壓力比水泥漿液的注漿壓力低，大約為靜水壓力的1.5～2 倍；采用改性脲醛樹(shù)脂漿液時(shí)，其孔內(nèi)分段高度可以適當(dāng)比水泥漿的要大，孔距可以比水泥注漿適當(dāng)加大，有利于減少鉆孔和掃孔復(fù)鉆工程量，降低施工成本，縮短治水工期。